1、超聲波測距儀以及示波器第1頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案選擇系統(tǒng)方案一：基于CPLD和單片機(jī)的高精度超聲波測距的設(shè)計(jì)方案。測距中的時(shí)間是通過高精度的晶體振蕩器作為時(shí)鐘信號源來進(jìn)行計(jì)數(shù)測量，同時(shí)使用CPLD代替常用的單片機(jī)純軟件方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制以減少誤差。由CPLD完成超聲波的發(fā)射和接收，并精確記錄回波時(shí)間，克服了單片機(jī)的速度限制，可以使記錄回波的時(shí)間精確到ns級，系統(tǒng)精度高，成本高。 第2頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案選擇系統(tǒng)方案二：基于單片機(jī)的超聲測距方案，由軟件控制實(shí)現(xiàn)超聲波信號的發(fā)射、接收及計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)與停止，但超聲波信號的

2、發(fā)射與計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)不同步，超聲波傳感器接收到信號與單片機(jī)檢測到信號之間不同步，又因?yàn)閱纹瑱C(jī)的計(jì)數(shù)頻率較低，所以單片機(jī)系統(tǒng)的測距誤差一般為厘米級。優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，成本低。第3頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案描述 圖1超聲測距儀系統(tǒng)總體框圖第4頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三理論分析與計(jì)算 超聲波脈沖法測距原理：聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)障礙物阻擋時(shí)就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間時(shí)間可以測量到，那么就可以計(jì)算出從聲源到目標(biāo)的距離。

3、本設(shè)計(jì)中聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。室溫下聲波在空氣中的傳播速度是340m/s，測量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間是t秒，則聲波經(jīng)過的距離d可以由以下公式計(jì)算： d=34000(cm/s)t(s) 因?yàn)槁暡ń?jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是d/2。第5頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三電路設(shè)計(jì) （超聲波發(fā)射模塊）圖2超聲波發(fā)射模塊電路原理圖第6頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三電路設(shè)計(jì)（超聲波接收模塊）圖3超聲波接收模塊電路原理圖第7頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三

4、電路設(shè)計(jì)（電源模塊）圖4電源模塊電路原理圖第8頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三電路設(shè)計(jì)（控制與顯示模塊）圖5控制模塊電路與顯示模塊電路第9頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三超聲波測距儀整體設(shè)計(jì)圖圖6超聲測距儀整體原理圖第10頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三設(shè)計(jì)流程圖第11頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三測試方案與測試結(jié)果 測試儀器及測試方法 在超聲測距儀發(fā)射、接收探頭正前方放置一物體做障礙物，把障礙物放置到離探頭固定距離，記錄此距離作為實(shí)際距離，再記錄超聲測距儀顯示的測量距離，通過多次不同距離

5、測量得到測量數(shù)據(jù)，最后對測試結(jié)果進(jìn)行分析。第12頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三測試數(shù)據(jù)記錄實(shí)際距離（cm） 1 2 51015202530測量結(jié)果（cm） 6 5 6 11 16 21 25 30誤差（%） 50015020106.6500實(shí)際距離（cm） 40 50 60 70 80 90100150測量結(jié)果（cm） 38 54 66 74 85 97110163誤差（%） -5 8 10 5.7 6.2 7.7 10 8.6第13頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三測試數(shù)據(jù)分析經(jīng)過以上數(shù)據(jù)的分析，測試距離在15cm之間時(shí)誤差都較大。因?yàn)閱纹?/p>

6、機(jī)的計(jì)數(shù)頻率較低，所以單片機(jī)系統(tǒng)的測距誤差一般為厘米級。測試距離在6150cm之間時(shí)，誤差很小，都在10%以內(nèi)。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三數(shù)字示波器設(shè)計(jì)摘要 基于AVR的示波器一個(gè)低速的基于mega32示波器，它可以用于檢測5HZ信號，輸入電壓可在2430V（直流）。由Vassilis Serasidis 設(shè)計(jì)，于01.Dec.2007 編譯語言: C 語言第15頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案選擇系統(tǒng)方案一：純單片機(jī)方式。即完全由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)前級信號程控調(diào)理、采樣保持電路及A/D轉(zhuǎn)換器的控制、數(shù)據(jù)的處理及存儲、波形顯示和控制

7、電路等功能。第16頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案選擇系統(tǒng)方案二：單片機(jī)與FPGA結(jié)合的方式。即由單片機(jī)來完成信號調(diào)理和人機(jī)界面等頂層控制功能，而由FPGA來完成采集和信號處理等底層的核心計(jì)算。第17頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案分析選擇方案一的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)規(guī)模較小，有一定靈活性，但不適宜于觀察高速信號或復(fù)雜信號。在采樣速率不是太高的情況下，可以滿足要求。方案二是在單片機(jī)的管理下，由可編程邏輯器件FPGA完成高速控制作用，例如對高速信號的采集和存儲，而單片機(jī)則實(shí)現(xiàn)對FPGA及整個(gè)簡易數(shù)字存儲示波器的管理。在這里，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，

8、而采用方案一。第18頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三示波器總框圖第19頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三方案描述控制器模塊以Atmega32單片機(jī)為核心的系統(tǒng)。Atmega32單片機(jī)內(nèi)置8路十位具有可選差分輸入級的可編程增益（TQFP封裝）的ADC,32K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫能力，即RWW），1024字節(jié)的EEPROM。第20頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三理論分析（有關(guān)等效采樣分析）等效采樣分析數(shù)據(jù)采樣技術(shù)分為實(shí)時(shí)采樣和等效采樣兩種。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)采樣對信號的的捕獲能力受到了A/D最

9、高采樣速率的限制，因?yàn)椋瑢?shí)時(shí)采樣是在一次觸發(fā)后完成整個(gè)的采集過程，通常對信號的實(shí)時(shí)采樣都必須滿足Nyquist采樣定理，采樣頻率至少應(yīng)為信號最高頻率的2倍。頻率越高就需要越高速的A/D轉(zhuǎn)換器。等效采樣的基本原理就是通過多次觸發(fā)多次采集而獲取重建信號波形。等效采樣的前提是，信號必須是周期重復(fù)的。等效采樣通過對周期的信號的多次采樣，把在信號的不同周期中采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，實(shí)現(xiàn)重建的信號波形。工作于等效采樣模式的高速數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，采樣頻率可以較低，而信號的頻率可以很高。等效采樣技術(shù)主要有順序等效采樣和隨機(jī)等效采樣。第21頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三電路與程序設(shè)計(jì) 電路參考原理圖第22頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三電路與程序設(shè)計(jì)PROTUES軟件虛擬仿真電路圖第23頁，共24頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)17分，星期三測試試結(jié)果以及分析經(jīng)過軟件模擬測試結(jié)果，示波器測試顯示正